Vísindamenn frá NTNU varpa ljósi á segulmagnaðir efni í litlum mæli með því að búa til kvikmyndir með hjálp einstakra bjartra röntgengeisla.
Erik Folven, meðstjórnandi oxíð rafeindatæknihópsins við rafeindakerfadeild NTNU, og samstarfsmenn frá NTNU og Ghent háskólanum í Belgíu lögðu af stað til að sjá hvernig þunnfilmu örseglar breytast við truflun af utanaðkomandi segulsviði.Verkið, sem er að hluta til styrkt af NTNU Nano og Rannsóknaráði Noregs, var birt í tímaritinu Physical Review Research.
Litlir seglar
Einar Standal Digernes fann upp pínulitlu ferhyrndu seglana sem notaðir voru í tilraununum.
Litlu ferhyrndu seglarnir, búnir til af NTNU Ph.D.frambjóðandi Einar Standal Digernes, eru aðeins tveir míkrómetrar á breidd og skipt í fjögur þríhyrningslaga lén, hvert með mismunandi segulstefnu sem vísar réttsælis eða rangsælis í kringum seglana.
Í ákveðnum segulmagnuðum efnum blandast smærri hópar atóma saman í svæði sem kallast lén, þar sem allar rafeindirnar hafa sömu segulstefnu.
Í NTNU seglunum mætast þessi lén á miðpunkti – hvirfilkjarnanum – þar sem segulmagnaðir augnablikið vísar beint inn eða út úr plani efnisins.
„Þegar við beitum segulsviði munu fleiri og fleiri af þessum lénum vísa í sömu átt,“ segir Folven.„Þeir geta vaxið og þeir geta minnkað og síðan geta þeir runnið saman.
Rafeindir nánast á ljóshraða
Að sjá þetta gerast er ekki auðvelt.Vísindamennirnir fóru með örseglana sína að 80 m breiðum kleinuhringlaga samstillingu, þekktum sem BESSY II, í Berlín, þar sem rafeindum er hraðað þar til þær ferðast á næstum ljóshraða.Þessar rafeindir sem hreyfast hratt gefa frá sér mjög bjarta röntgengeisla.
„Við tökum þessar röntgengeislar og notum þær sem ljósið í smásjánni okkar,“ segir Folven.
Þar sem rafeindir ferðast um synchrotron í hópum sem eru aðskildar með tveimur nanósekúndum, koma röntgengeislarnir sem þær gefa frá sér í nákvæmum púlsum.
Röntgensmásjá, eða STXM, tekur þessar röntgengeislar til að búa til skyndimynd af segulbyggingu efnisins.Með því að sauma þessar skyndimyndir saman geta vísindamennirnir í raun búið til kvikmynd sem sýnir hvernig örsegullinn breytist með tímanum.
Með hjálp STXM trufluðu Folven og samstarfsmenn hans örseglum sínum með straumpúlsi sem myndaði segulsvið og sáu lénin breyta um lögun og hvirfilkjarna færa sig frá miðjunni.
„Þú ert með mjög lítinn segull og stingur svo í hann og reynir að mynda hann þegar hann sest aftur,“ segir hann.Eftir það sáu þeir kjarnann snúa aftur í miðjuna — en eftir hlykkjóttri leið, ekki beinni línu.
„Það mun eins konar dansa aftur í miðjuna,“ segir Folven.
Einn slipp og það er búið
Það er vegna þess að þeir rannsaka epitaxial efni, sem eru búin til ofan á undirlagi sem gerir vísindamönnum kleift að fínstilla eiginleika efnisins, en myndi loka fyrir röntgengeisla í STXM.
Vísindamennirnir unnu í NTNU NanoLab og leystu hvarfefnisvandamálið með því að grafa örsegul sinn undir lag af kolefni til að vernda segulmagnaðir eiginleikar þess.
Síðan flísuðu þeir varlega og nákvæmlega burt undirlagið undir með einbeittum geisla gallíumjóna þar til aðeins mjög þunnt lag var eftir.Vandað ferlið gæti tekið átta klukkustundir á hvert sýni - og eitt slyppi gæti valdið hörmungum.
„Það mikilvæga er að ef þú drepur segulmagnið, munum við ekki vita það áður en við setjumst í Berlín,“ segir hann.„Böndin er auðvitað að koma með fleiri en eitt sýnishorn.
Frá grundvallareðlisfræði til framtíðartækja
Sem betur fer virkaði það og teymið notaði vandlega undirbúin sýni sín til að kortleggja hvernig lén örsegulsins stækka og minnka með tímanum.Þeir bjuggu líka til tölvulíkingar til að skilja betur hvaða kraftar voru að verki.
Auk þess að efla þekkingu okkar á grundvallareðlisfræði, gæti skilningur á því hvernig segulmagn virkar á þessum lengdar- og tímakvarða verið gagnlegt við að búa til tæki í framtíðinni.
Segulmagn er nú þegar notað til gagnageymslu, en vísindamenn eru nú að leita leiða til að nýta það frekar.Segulstefnur hvirfilkjarna og léna örseguls, til dæmis, væri kannski hægt að nota til að umrita upplýsingar í formi 0s og 1s.
Vísindamennirnir stefna nú að því að endurtaka þessa vinnu með járnsegulefni, þar sem nettóáhrif einstakra segulmagnaðir augnablikum hætta.Þetta lofa góðu þegar kemur að tölvumálum - fræðilega séð væri hægt að nota járnsegulefni til að búa til tæki sem krefjast lítillar orku og haldast stöðugum jafnvel þegar rafmagn tapast - en mun erfiðara að rannsaka vegna þess að merkin sem þau framleiða verða mun veikari .
Þrátt fyrir þá áskorun er Folven bjartsýnn.„Við höfum hulið fyrstu jörðina með því að sýna að við getum gert sýni og skoðað þau með röntgengeislum,“ segir hann.„Næsta skref verður að sjá hvort við getum búið til nægilega hágæða sýnishorn til að fá nóg merki frá járnsegulefni.
Birtingartími: maí-10-2021